SISTEMAS OPERATIVOS Estructura de los Sistemas Operativos Se considera la organización interna de los S. O. y conforme a ella se los clasifica de la siguiente manera, destacándose sus principales características: Sistemas monolíticos: Es muy común: no existe estructura propiamente dicha o es mínima. El S. O. es una colección de procedimientos que se pueden llamar entre sí (ver Figura 1.2).
Cada procedimiento tiene una interfaz bien definida en términos de parámetros y resultados.
Para ejecutar los servicios del S. O. (llamadas al sistema): (ver Figura 1.3). o Se solicitan colocando los parámetros en lugares bien definidos (registros o pilas). o Se ejecuta una instrucción especial de trampa: llamada al núcleo o llamada al supervisor. o La instrucción cambia la máquina del modo usuario al modo núcleo (o modo supervisor). o Se transfiere el control al S. O. o El S. O. examina los parámetros de la llamada para determinar cuál de ellas se desea realizar. o El S. O. analiza una tabla que contiene en la entrada “k” un apuntador al procedimiento que realiza la “k-ésima” llamada al sistema: Identifica al procedimiento de servicio llamado. o La llamada al sistema termina y el control regresa al programa del usuario. Sistemas con capas: Es una generalización del modelo de estructura simple para un sistema monolítico. Consiste en organizar el s. o. como una jerarquía de capas, cada una construida sobre la inmediata inferior. 5 - Operador 4 - Programas del Usuario 3 - Control de Entrada - Salida 2 - Comunicaciones Operador Proceso 1 - Administración de la Memoria y del Disco 0 - Asignación del Procesador y Multiprogramación Tabla 1.1: Estructura del S.O. en capas "THE". El primer sistema con este esquema fue el “THE” (Holanda - Dijkstra -1968): (ver Tabla 1.1). “THE”: Technische Hogeschool Eindhoven. Capa 0: o Trabaja con la asignación del procesador. o Alterna entre los procesos cuando ocurren las interrupciones o expiran los cronómetros. o Proporciona la multiprogramación básica.
Capa 1: o Administra la memoria. o Asegura que las páginas (porciones de memoria) requeridas de los procesos lleguen a memoria cuando fueran necesarias. Capa 2: o Administra la comunicación entre cada proceso y la consola del operador. o Por sobre esta capa, cada proceso tiene su propia consola de operador. Capa 3: o Controla los dispositivos de e / s y almacena en buffers los flujos de información entre ellos. o Por sobre la capa 3 cada proceso puede trabajar con dispositivos abstractos de e / s en vez de con dispositivos reales. Capa 4: o Aloja los programas del usuario. o Los programas. del usuario no tienen que preocuparse por el proceso, memoria, consola o control de e / s. Capa 5: o Localiza el proceso operador del sistema. Una generalización mas avanzada del concepto de capas se presento con “Multics” (MIT, Bell Labs y General Electric): “Multics”: multiplexed information and computing service. Presenta una estructura en anillos concéntricos, siendo los interiores los privilegiados. Un procedimiento de un anillo exterior, para llamar a un procedimiento de un anillo interior, debe hacer el equivalente a una llamada al sistema. Máquinas virtuales: Se separan totalmente las funciones de multiprogramación y de máquina extendida. Existe un elemento central llamado monitor de la máquina virtual que: Se ejecuta en el hardware. Realiza la multiprogramación. Proporciona varias máquinas virtuales a la capa superior. Las máquinas virtuales instrumentan copias “exactas” del hardware simple, con su modo núcleo / usuario, e / s, interrupciones y todo lo demás que posee una máquina real. Pueden ejecutar cualquier S. O. que se ejecute en forma directa sobre el hardware. Las distintas máquinas virtuales pueden ejecutar distintos S. O. y en general así lo hacen. Soportan periféricos virtuales. Ejemplo de S. O. representativo de esta estructura: “VM/370” de IBM: (ver Figura 1.4).
Las m. v. generalmente utilizaran, entre otros, el S. O. “CMS”: Conversational Monitor System. Cuando un programa “CMS” ejecuta una llamada al sistema: La llamada es atrapada por el S. O. en su propia m. v.; no pasa directamente al “VM/370”. “CMS” proporciona las instrucciones de e / s en hardware para la lectura del disco virtual o lo necesario para efectuar la llamada. “VM/370” atrapa estas instrucciones de e / s y las ejecuta sobre el hardware verdadero. Modelo cliente - servidor: Una tendencia en los S. O. modernos es la de explotar la idea de mover el código a capas superiores y mantener un núcleo mínimo, de manera similar al “VM/370”. Implantar la mayoría de las funciones del S. O. en los procesos del usuario. Para solicitar un servicio (por ej.: lectura de un bloque de cierto archivo) según el modelo cliente - servidor: (ver Figura 1.5).
El proceso del usuario (proceso cliente) envía la solicitud a un proceso servidor: Realiza el trabajo y regresa la respuesta.El núcleo controla la comunicación entre los clientes y los servidores. Se fracciona el S. O. en partes, cada una controlando una faceta:
Servicio a archivos, a procesos, a terminales, a memoria, etc., cada parte pequeña y más fácilmente controlable. Los servidores se ejecutan como procesos en modo usuario: No tienen acceso directo al hardware. Se aíslan y acotan más fácilmente los problemas. Se adapta para su uso en los sistemas distribuidos: (ver Figura 1.6).
Si un cliente se comunica con un servidor mediante mensajes: No necesita saber si el mensaje se atiende localmente o mediante un servidor remoto, situado en otra máquina conectada. Envía una solicitud y obtiene una respuesta. Algunas funciones del S. O., por ej. el cargado de comandos en los registros físicos del dispositivo de e / s, presentan problemas especiales y distintas soluciones: Ejecución en modo núcleo, con acceso total al hardware y comunicación con los demás procesos mediante el mecanismo normal de mensajes. Construcción de un mínimo de mecanismos dentro del núcleo manteniendo las decisiones de política relativas a los usuarios dentro del espacio del usuario.
Tendencias Las principales tendencias en S. O. son las siguientes: Soporte generalizado para multiprocesamiento. Migración hacia el microcódigo de funciones de los S. O. realizadas por software. Distribución del control entre procesadores localizados. Mejora de la eficiencia en el soporte de la ejecución concurrente de programas. Soporte del paralelismo masivo con altísimo grado de concurrencia. Profundización de los esquemas de máquinas virtuales.
Continuación del esquema de familias de S. O. para familias de computadoras, viendo las aplicaciones máquinas virtuales. Compatibilidad con nuevas generaciones de computadoras. Desarrollos en la ingeniería de software para brindar S. O. más preservables, confiables y comprensibles. Proliferación de redes de sistemas, distribuyendo tareas en equipos sobre los que el usuario puede no tener conocimiento ni control con énfasis en la importancia de la perspectiva de las máquinas virtuales. Permanencia del concepto de almacenamiento virtual. Permanencia de la perspectiva del S. O. como administrador de recursos, teniendo presente que los datos serán considerados cada vez más como un recurso para ser administrado. Profundización del desarrollo de S. O. con funciones distribuidas entre varios procesadores a través de grandes redes de sistemas.
Hardware Los principales aspectos del hardware, de importancia para los S. O., son los siguientes: Compaginación del almacenamiento: Objetivo: acelerar el acceso al almacenamiento primario (bancos de memoria). Generalmente, mientras cualquiera de las localidades de un banco de almacenamiento primario, está siendo accedida, ninguna otra referencia puede estar en curso. La compaginación del almacenamiento coloca localidades de memoria adyacentes en diferentes bancos de almacenamiento, para permitir varias referencias al mismo tiempo. Registro de relocalización: Permite relocalizar de forma dinámica los programas. La dirección base de un programa en la memoria principal se sitúa en el registro de relocalización. El contenido del registro de relocalización se añade a cada dirección desarrollada por un programa en ejecución. Permite al programa residir en localizaciones diferentes a aquellas para las cuales fue traducido. Interrupciones y escrutinio: Interrupciones: permiten a una unidad obtener la inmediata atención de otra, de manera que la primera pueda informar de un cambio de estado:
Permite salvar el “estado” de la unidad interrumpida antes de procesar la interrupción. Escrutinio: técnica que permite que una unidad verifique el estado de otra unidad de funcionamiento independiente. Utilización del “buffer”: Un “buffer” es un área de almacenamiento primario destinada a contener datos durante transferencias de e / s. Cuando concluye la transferencia los datos pueden ser accedidos por el procesador. Esquema de “entradas de buffer simple”: o El canal deposita datos en el buffer. o El procesador procesa estos datos. o El canal deposita nuevos datos, etc. o No puede haber simultaneidad entre operaciones de colocar datos en el buffer y procesarlos: Afecta la performance. Esquema de “entradas de buffer doble”: o Permite la sobreposición de operaciones de e / s con el procesamiento: Mejora la performance. o Mientras el canal deposita datos en un buffer el procesador puede estar procesando los datos del otro buffer. o Cuando el procesador concluye el proceso de los datos del primer buffer, puede continuar con los datos del segundo, mientras el canal deposita nuevos datos en el primer buffer: Es la técnica de “buffer biestable ( o en flip flop)”. Dispositivos periféricos: Permiten el almacenamiento de grandes cantidades de información fuera del almacenamiento principal. Existen dispositivos secuenciales y de acceso directo. Las características y prestaciones son muy variadas. Protección del almacenamiento: Limita el número de direcciones que un programa puede referenciar. Es esencial en los sistemas multiusuario. Se implementa mediante los “registros de límites”, que definen las direcciones superior e inferior del bloque de almacenamiento afectado a un determinado programa. También se pueden utilizar “claves de protección del almacenamiento” anexas a áreas de almacenamiento primario: o
o
Un programa solo puede acceder a localidades de almacenamiento cuyas claves de protección concuerdan con las del programa. Temporizadores y relojes: “Temporizador de intervalos”: previene que un solo usuario monopolice el procesador en sistemas multiusuario. El temporizador genera una interrupción al procesador cuando expira el intervalo asignado a un usuario. “Reloj horario”: permite al computador hacer un seguimiento de la “hora del reloj de pared”, con una exactitud de millonésimas de segundo o mayor. Operaciones en línea y fuera de línea; procesadores satélite: “Operación en línea”: los periféricos utilizados están conectados al procesador. “Operación fuera de línea”: los periféricos utilizados están conectados a unidades de control que no están conectadas al sistema central o principal. Canales de entrada / salida: Son sistemas computacionales de propósito especial, dedicados al manejo de la e / s con independencia del procesador principal. Tienen acceso directo al almacenamiento principal para almacenar o recuperar información. Evitan al procesador la mayor parte de la carga de manejar la e / s, incrementando la concurrencia. Los principales tipos de canales son los siguientes: o Selectores. o Multiplexores de bytes. o Multiplexores de bloques. Robo de ciclo: Significa que en la competencia entre el procesador y los canales para acceder a un determinado banco de almacenamiento primario (memoria principal), se da prioridad a los canales: o Se optimiza el uso de los dispositivos de e / s. Direccionamiento de base más desplazamiento: Todas las direcciones son añadidas al contenido de un “registro de base”. Los programas son “independientes de la localización”: o Especialmente importante en ambientes multiusuario. Estado de problema, estado supervisor, instrucciones privilegiadas: Corresponde a distintos “estados de ejecución”. “Estado de problema o de usuario”: estado en que corren los programas de usuario:
o
Tiene acceso a un subconjunto de instrucciones del conjunto de instrucciones de la máquina. “Estado supervisor o de núcleo”: generalmente el S. O. corre así con la categoría de “usuario de mayor confianza o nivel ”: o Tiene acceso a todas las instrucciones del conjunto de instrucciones de la máquina. Si el sistema soporta más de dos estados: o Se puede instrumentar una “granulación de protección” más fina. o Permite conceder accesos por medio del “principio de menos privilegio”: Se debe garantizar a cada usuario en particular la menor cantidad de privilegio y acceso que necesite para cumplir sus tareas. “Instrucciones privilegiadas”: son aquellas a las que no se tiene acceso en estado de problema. Almacenamiento virtual: Los sistemas de almacenamiento virtual permiten a los programas referenciar direcciones que no necesitan corresponder con las direcciones reales disponibles en el almacenamiento primario. Las “direcciones virtuales” desarrolladas por los programas en ejecución son traducidas dinámicamente por el hardware a las “direcciones reales” de instrucciones y datos del almacenamiento principal. Los programas pueden referenciar espacios de direcciones mucho mayores que los espacios de direcciones disponibles en el almacenamiento primario. Se utilizan técnicas de: o “Paginación”: bloques de datos de tamaño fijo van o vienen entre el almacenamiento primario y el secundario. o “Segmentación”: identifica las unidades lógicas de los programas y datos para facilitar el control de acceso y participación. Multiprocesamiento: Varios procesadores comparten un almacenamiento primario común y un solo S. O. Es necesario “secuencializar” el acceso a una localización (dirección) de almacenamiento compartido para que dos o más procesadores no intenten: o Modificarla al mismo tiempo. o Modificarla uno(s) mientras otro(s) intenta(n) leerla. Acceso directo a la memoria (DMA): Requiere una sola interrupción al procesador por cada bloque de caracteres transferidos durante la operación de e / s, lo cual mejora significativamente la performance (rendimiento).
Es como si el procesador, en vez de interrumpido fuera retrasado. Resulta muy útil para altos requerimientos de e / s. “Canal DMA”: es el hardware responsable del robo de ciclos y de la operación de los dispositivos de e / s. Canalización: Técnica de hardware utilizada para explotar ciertos tipos de paralelismo durante el procesamiento de instrucciones. Varias instrucciones pueden estar simultáneamente en diferentes estados de ejecución. Jerarquía de almacenamiento: Los niveles de almacenamiento incluyen: o Almacenamiento primario: memoria principal. o Almacenamiento secundario: discos, cintas, etc. o Almacenamiento “caché”: memoria muy veloz diseñada para aumentar la velocidad de ejecución de los programas: Aloja la parte (instrucciones y datos) en ejecución de un programa. Los niveles de almacenamiento crean “jerarquías de almacenamiento”: caché, almacenamiento primario, almacenamiento secundario. Al bajar en la jerarquía: o Descienden el costo y la velocidad. o Aumenta la capacidad. “Espacio de direcciones”: conjunto de todas las direcciones disponibles para un programa.
Software Consiste en los programas de instrucciones y datos que definen para el hardware los algoritmos necesarios para la resolución de problemas. Los aspectos más destacados en relación con los S. O. son los siguientes: Programación en lenguaje de máquina: “Lenguaje de máquina”: Lenguaje de programación que un computador puede comprender directamente. Es “dependiente de la máquina”: un programa en lenguaje de máquina escrito en el computador de un fabricante, generalmente no puede ser ejecutado en el de otro, salvo que su lenguaje de máquina sea compatible. Muy poco usado actualmente. Ensambladores y macroprocesadores: Los “lenguajes ensambladores” se desarrollaron para:
Incrementar la velocidad de programación . Reducir los errores de codificación. Los programas deben ser traducidos al “lenguaje de máquina” mediante un programa “ensamblador”: También es dependiente de la máquina. Los “macroprocesadores”: Se desarrollaron para acelerar la codificación de un programa ensamblador. Se incorporaron en los ensambladores. Una “macroinstrucción” indica la ejecución de varias instrucciones en lenguaje ensamblador. El “procesador de macroinstrucciones” efectúa una “macroexpansión” cuando lee una macro durante la traducción de un programa: o Genera una serie de instrucciones en lenguaje ensamblador correspondientes a la macro. Compiladores: “Lenguajes de alto nivel ”: se desarrollaron para resolver el problema de la dependencia respecto a la máquina. Permiten el desarrollo de programas “independientes de la máquina”. Se logra mayor velocidad de programación, programas transportables entre sistemas diferentes y menores requerimientos de conocimientos de hardware. “Compiladores”: traducen los lenguajes de alto nivel al lenguaje de máquina. “Traductores”: es la denominación para “compiladores” y “ensambladores”. o Entrada: “programa fuente” del programador. o Salida: “programa objeto” o “programa resultante”. Sistemas de control de entrada / salida (IOCS: input / output control system): EL IOCS libera al programador de aplicaciones de la complejidad de la administración de la e / s: o Programas de canal, coordinación de canales y procesadores, control de la e / s, etc. Es una manifestación de la tendencia a que los desarrolladores de aplicaciones se concentren en la producción de códigos orientados hacia las aplicaciones y no hacia los sistemas (hardware). Utilización del SPOOL (Simultaneous Peripheral Operation On Line: operación simultánea de periféricos en línea): Un dispositivo de alta velocidad (ej.: disco) se interpone entre un programa en ejecución y un dispositivo de baja velocidad (ej.: impresora) relacionado con el programa en la e / s.
Evita la demora en la ejecución de programas como consecuencia del uso de periféricos lentos. Lenguajes orientados hacia el procedimiento versus lenguajes orientados hacia el problema: “O. hacia el procedimiento”: son de propósito general y aptos para resolver gran variedad de problemas: o Ej.: Pascal, Cobol, Fortran, Basic, PL/I. “O. hacia el problema”: son específicos para resolver determinados tipos de problemas: o Ej.: GPSS (simulación), SPSS (estadística). Compiladores rápidos y sucios versus compiladores optimizadores: “C. rápidos y sucios”: producen rápidamente un programa objeto que puede ser ineficiente respecto de almacenamiento y velocidad de ejecución: o Utiles para el desarrollo y prueba de sistemas. “C. optimizadores”: producen con mayor lentitud un código de máquina altamente eficiente en almacenamiento y ejecución: o Utiles en etapa de producción de los sistemas. Interpretadores: No producen un programa objeto. Ejecutan directamente un programa fuente. Son útiles en ambientes de desarrollo de programas. Son más lentos que los códigos compilados. Cargadores absolutos y de relocalización: Los programas se ejecutan en el almacenamiento principal. “Asignación”: es la asociación de instrucciones y datos con localizaciones particulares de almacenamiento. “Cargador”: es un programa que coloca las instrucciones y datos de un programa dentro de localizaciones del almacenamiento principal. “Cargador absoluto”: coloca las instrucciones y datos en las localizaciones específicas indicadas en el programa de lenguaje de máquina. “Cargador de relocalización”: puede cargar un programa en varios lugares dentro del almacenamiento principal: o Depende de la disponibilidad de almacenamiento primario al momento de realizar la carga. “Tiempo de carga”: momento de realizar la carga. Cargadores de enlace y editores de enlace: El programa en lenguaje de máquina producido por un traductor debe ser combinado con otros programas en lenguaje de máquina para formar una unidad ejecutable.
La “combinación de programas” es realizada por “cargadores de enlace” y “editores de enlace” antes del tiempo de ejecución del programa. “Cargador de enlace”: en el momento de carga, combina cualesquiera programas requeridos y los carga directamente en el almacenamiento primario. “Editor de enlace”: ejecuta la combinación de programas mencionada y además crea una imagen de carga a memoria que preserva en el almacenamiento secundario (disco), para usos futuros: o Es muy útil en ambientes de producción, ya que la carga inmediata de la imagen de memoria previamente producida evita un nuevo proceso de combinación de programas previo a cada ejecución.
Memoria Fija El concepto de “microprogramación” suele atribuirse al prof. Maurice Wilkes (1951). La primer aplicación a gran escala fueron los S/360 (IBM - ’60). La “microprogramación dinámica”: permite cargar fácilmente los nuevos “microprogramas” (“microcódigo”) dentro del “almacenamiento de control ”, desde donde son ejecutados: Permite variar dinámica y frecuentemente los conjuntos de instrucciones de máquina. La “microprogramación” introduce una capa de programación por debajo del lenguaje de máquina: Hace posible definir las instrucciones del lenguaje de máquina. Los “microprogramas” están formados por “microinstrucciones” individuales que en relación a las instrucciones de los lenguajes de máquina son de: Naturaleza mucho más elemental. Función más dispersa. Cada instrucción de lenguaje de máquina es implementada por un microprograma completo que puede ser extenso: El almacenamiento de control debe ser mucho más rápido que el almacenamiento primario. Microcódigos vertical y horizontal: El “microcódigo vertical ”: Es similar a la ejecución de instrucciones en lenguaje de máquina. Especifica el movimiento de uno o varios datos entre registros. El “microcódigo horizontal ”: Está constituído por microinstrucciones que requieren muchos más bits. Puede especificar la operación paralela de movimiento de datos entre muchos o todos los registros de datos de la unidad de control. Es más poderoso pero más complejo que el microcódigo vertical.
Decisión de qué funciones implementar en microcódigo: Una importante cuestión de diseño es decidir qué funciones del sistema computacional se implementarán en microcódigo. El microcódigo permite mejorar el rendimiento en la ejecución de un sistema computacional. El criterio frecuentemente es colocar en la memoria fija (en vez de en el software) las secuencias de instrucciones utilizadas con más frecuencia. Emulación: Es una técnica por medio de la cual se hace que una máquina aparente ser otra. El conjunto de instrucciones de lenguaje de máquina que va a ser emulada se microprograma en la “máquina anfitriona”. Los programas de lenguaje de máquina de la máquina emulada pueden ejecutarse directamente en la anfitriona. Es útil para compatibilidad y migración de sistemas. Microdiagnósticos: Los microprogramas tienen más acceso al hardware que los programas de lenguaje de máquina: Es posible efectuar detección y corrección de errores más amplia a un nivel más fino. Se puede intercalar el “microdiagnóstico” con las instrucciones de programas de lenguaje de máquina. Computadores personalizados: El hardware proporciona un ambiente de propósito general para ejecutar programas de software: Moldean el sistema computacional según las necesidades del usuario. En algunos sistemas los usuarios pueden efectuar esta adaptación por medio del microcódigo. Asistencias de microcódigo: Implementan varias rutinas de manejo de interrupciones de uso más frecuente en microcódigo a fin de lograr mejoras significativas en la ejecución. Microprogramación y sistemas operativos: Las funciones implementadas frecuentemente en microcódigo son las siguientes: Manejo de interrupciones. Mantenimiento de varios tipos de estructuras de datos. Primitivas de sincronización que controlan el acceso a los datos compartidos y otros recursos. Operaciones de palabras parciales que permiten que las operaciones de manipulación de bits sean manejadas en forma eficiente. “Intercambio de contexto”, por ej., intercambio rápido del procesador entre los usuarios de un sistema de usuarios múltiples. Secuencias de regreso y llamada al procedimiento.